商用車發(fā)動(dòng)機(jī)輔助設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行策略

【奧】 Ennemoser A Schreier H Petutschnig H

1 原始狀況

降低燃油耗和二氧化碳（CO2）排放，以及減少總運(yùn)行成本是商用車制造商及其用戶燃眉之急的課題。尤其是，商用車CO2排放法規(guī)限值正在持續(xù)收緊，必須在全球范圍內(nèi)進(jìn)一步降低商用車的運(yùn)行燃油耗。由于在公路運(yùn)輸中，長途運(yùn)輸商用車CO2排放占據(jù)的份額最大，因此，降低燃油耗的措施主要集中在這一領(lǐng)域。

汽車制造商對降低商用車燃油耗負(fù)有主要責(zé)任。當(dāng)然，諸如廢氣利用、混合動(dòng)力化、電動(dòng)化，以及類似的創(chuàng)新技術(shù)在中期就可付之應(yīng)用，但是，由于隨之而來的附加成本較高，對終端用戶的吸引力不大。有待研究的是，在短期內(nèi)，還能采用哪些技術(shù)措施，以較少的賈用進(jìn)一步提高長途運(yùn)輸商用車動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率。

2 短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油潛力

鑒于長期以來對商用車發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦和熱力學(xué)效率所進(jìn)行的優(yōu)化，現(xiàn)今尚存的改善潛力已相對較小。另一方面，就輔助設(shè)備而言，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)整和按需控制，卻能在短期內(nèi)以相對較低的成本實(shí)施降低燃油耗的措施。其核心技術(shù)就是所謂“滿足需求的輔助設(shè)備”，即只賦予輔助設(shè)備實(shí)時(shí)所需的工作能力。改善潛力主要集中在以下幾個(gè)部件：（1）可多級調(diào)節(jié)或全可變控制的冷卻風(fēng)扇，（2）可多級調(diào)節(jié)或全可變控制的冷卻水泵，（3）具備可變泵油量能力的機(jī)油泵，（4）可開關(guān)機(jī)油噴射冷卻的活塞，（5）可離合的空氣壓縮機(jī)，（6）按需控制的液力轉(zhuǎn)向助力泵。

因此，鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)之間的相互影響及其日益復(fù)雜的關(guān)系，迫使人們必須從系統(tǒng)層面或發(fā)動(dòng)機(jī)層面來考慮問題。為此，AVL公司介紹了一種開發(fā)方法[1]，采用這一方法能夠在相對較短的開發(fā)周期內(nèi)以較少的賈用進(jìn)行總體優(yōu)化，從而獲得所期望的整車性能。開發(fā)系統(tǒng)的主要組成部分是：（1）在整車層面上所有系統(tǒng)的模型化；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)及其主要子系統(tǒng)（燃燒、冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)）的模型化；（3）根據(jù)整車和/或試驗(yàn)臺測量的調(diào)整模型；（4）為挖掘最大節(jié)油潛力而開發(fā)的最佳運(yùn)行策略；（5）將運(yùn)行策略轉(zhuǎn)化成發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件代碼；（6）在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺和整車上驗(yàn)證的節(jié)油效果。

模擬環(huán)境是重點(diǎn)，其模塊化結(jié)構(gòu)須對各種不同的需求和開發(fā)等級進(jìn)行調(diào)整，從物理學(xué)模型到尋找設(shè)計(jì)方案，以及詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，乃至實(shí)時(shí)模型[3]，同時(shí)給定的模型參數(shù)能夠相互自動(dòng)轉(zhuǎn)化，以確保開發(fā)過程的順暢，這對于模擬品質(zhì)和效率具有重要思義[2]。

3 通過熱管理降低燃油耗

優(yōu)化冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)有2個(gè)目的：（1）按實(shí)時(shí)需要調(diào)節(jié)冷卻水泵和機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)功率，確保供給各零部件極限范圍內(nèi)所需的冷卻水和機(jī)油流量；（2）優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理，在常規(guī)環(huán)境條件下（例如25℃），通過優(yōu)化典型行駛循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的熱管理，使燃油耗降低2%（圖1）。

在典型的歐洲長途運(yùn)輸行駛中，多數(shù)時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在部分負(fù)荷條件下，但為了確保獲得足夠的冷卻效果，冷卻水泵的驅(qū)動(dòng)及其冷卻液流量卻是按照處于“最不利狀況”的全負(fù)荷條件設(shè)計(jì)的。若在部分負(fù)荷運(yùn)行條件下按需調(diào)節(jié)冷卻水泵，并將冷卻液溫度提高到容許的最高水平，則能獲得良好的節(jié)油效果（圖2）。潤滑系統(tǒng)的情況與此相似，在全負(fù)荷運(yùn)行條件下，機(jī)油冷卻噴嘴必須確?；钊玫阶銐虻睦鋮s，而在部分負(fù)荷運(yùn)行條件下，活塞機(jī)油冷卻噴嘴可以關(guān)閉，從而減少機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)功率。

在商用車上，冷卻風(fēng)扇對節(jié)油效果具有重要思義。雖然冷卻風(fēng)扇在典型的長途行駛循環(huán)中接通運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間相對較少（根據(jù)行駛路段的不同，約為10%～20%），但其設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)功率仍較大，約為30 k W，因此，只有在采取其他措施無法獲得足夠冷卻的情況下才接通冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。

如果采用多級調(diào)節(jié)風(fēng)扇或全可變風(fēng)扇傳動(dòng)離合器實(shí)時(shí)控制是否與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開，并且較小及中等的冷卻需求峰值也能被平抑，而無需使用風(fēng)扇，則就有可能節(jié)油0.8%。此外，在風(fēng)扇脫開的運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)扇的寄生功率必須被降至最低或在理想狀況下為零，因?yàn)槠淅鄯e消耗的總?cè)加秃母哌_(dá)0.2%。

對于所有的優(yōu)化措施而言，必須注思到，盡管考慮到了通常情況下冷卻和潤滑介質(zhì)溫度較高，但還必須保持為了平抑（如在下坡行駛時(shí)）因啟用排氣制動(dòng)功能而出現(xiàn)的短時(shí)間冷卻需求量峰值所需的儲備。同時(shí)，根據(jù)模型的調(diào)節(jié)，還必須考慮到重型商用車因冷卻液容積較大而具有明顯較大的系統(tǒng)慣性。

4 空氣壓縮機(jī)和轉(zhuǎn)向助力泵的節(jié)油潛力

在長途行駛循環(huán)中，無論是轉(zhuǎn)向助力泵，還是空氣壓縮機(jī)，都極少出現(xiàn)其設(shè)計(jì)功率被用盡的情況（圖3）。這些機(jī)組大多以較低的功率或在空轉(zhuǎn)下運(yùn)行，但功率損耗并不小。

在空轉(zhuǎn)時(shí)，無功率限制的普通空氣壓縮機(jī)可節(jié)約的損耗功率為整個(gè)行駛循環(huán)總?cè)加秃牡?.3%，而有功率限制的空氣壓縮機(jī)，通過完全脫開傳動(dòng)能進(jìn)一步節(jié)油0.3%。

即使在典型的長途貨車上，也很少使用液壓轉(zhuǎn)向助力泵的全功率（圖4），因?yàn)殡S著車輛行駛速度的提高，轉(zhuǎn)向助力的需求及其所需的驅(qū)動(dòng)功率會(huì)明顯降低。

轉(zhuǎn)向助力泵與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接連接，在實(shí)際行駛過程中會(huì)產(chǎn)生明顯的功率損耗（圖4（b）），因?yàn)樽畲蟮闹ψ饔每隙〞?huì)在怠速下顯現(xiàn)。因此，較為合適的方式是轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)可調(diào)節(jié)，而在較高車速時(shí)須降低所提供的液壓壓力，這樣的轉(zhuǎn)換策略在整個(gè)長途行駛循環(huán)中能夠獲得1%的節(jié)油效果。

5 主要取決于調(diào)節(jié)

為了充分利用系統(tǒng)所有的節(jié)油潛力，必須盡量接近系統(tǒng)和部件的極限，同時(shí)又不會(huì)損害其可靠性和耐久性的極限值?；谀Ｐ偷恼{(diào)節(jié)方式適用于整個(gè)系統(tǒng)，并為控制各個(gè)執(zhí)行器提供連接和足夠精確的調(diào)節(jié)，此外，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)有時(shí)存在明顯的慣性。

包括整個(gè)系統(tǒng)模擬在內(nèi)，AVL公司已開發(fā)出基于模型的系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，采用這一功能能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷狀況精確地預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能，在實(shí)際行駛運(yùn)行中，它能將各零部件與其極限值之間所需的安全距離減至最小，而且，將模型調(diào)節(jié)與整個(gè)系統(tǒng)的模擬相結(jié)合，使得在辦公桌上就能采用調(diào)節(jié)軟件精確地預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，隨后只需在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺或汽車上稍加匹配或最終優(yōu)化即可。

6 結(jié)語

在模型調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，輔助設(shè)備的不斷優(yōu)化及其最佳的按需定位運(yùn)行策略為長途貨運(yùn)車輛降低燃油耗和CO2排放提供了可能性，與現(xiàn)今的技術(shù)相比，燃油耗和CO2排放可降低3%～4%，而對于其他車輛（配貨車輛、城市公交車輛和越野車等用途）[4]而言，根據(jù)其部分負(fù)荷在整個(gè)負(fù)荷譜中所占的份額不同，最多可獲得5%的節(jié)油效果。

在實(shí)際的行駛過程中，車輛的實(shí)際節(jié)油效果主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制中整個(gè)系統(tǒng)被開發(fā)的程度，以及容許達(dá)到的零部件極限。

除了上述節(jié)油潛力之外，最重要的是其更容易在短期內(nèi)達(dá)到目標(biāo)，以及相對較低的附加成本，這對于制造商和用戶都十分有利。因此，最終用戶的總成本償還期應(yīng)控制在半年以內(nèi)。

未來，可按需調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備被連接到全球定位系統(tǒng)或過路賈采集系統(tǒng)中，這就能根據(jù)預(yù)定的行駛路段和附加因素（交通、氣候等）預(yù)先主動(dòng)控制輔助設(shè)備。

現(xiàn)已能在車輛抵達(dá)最近的上坡道前暫時(shí)降低冷卻液溫度，以防止因風(fēng)扇沒有轉(zhuǎn)動(dòng)而使系統(tǒng)過熱。與此類似，在車輛抵達(dá)最近的下坡路段前就降低冷卻液溫度，以便應(yīng)對即將出現(xiàn)的排氣制動(dòng)器所引起的熱量輸人，從而獲得足夠的減速效果。

AVL公司已證實(shí)，完全電氣化的輔助設(shè)備能提供額外的優(yōu)化潛力，因?yàn)橛纱怂a(chǎn)生的附加賈用最終能被消除，當(dāng)然，還要注思在商用車電氣化方面的開發(fā)成本。無論是成本，還是功率密度與可靠性，全電氣化輔助設(shè)備在長途貨運(yùn)車輛上的集成應(yīng)適度。當(dāng)然，將當(dāng)今所能提供的機(jī)械或部分電氣化解決方案與智能調(diào)節(jié)相結(jié)合，已具有能充分挖掘輔助設(shè)備大部分節(jié)油潛力的能力。